ترمودینامیک: بازیگر اصلی انرژی در زندگی ما
مفاهیم پایه: سیستم، محیط و تعادل ترمودینامیکی
برای بررسی پدیدههای ترمودینامیکی، ابتدا باید بدانیم دربارهی چه چیزی صحبت میکنیم. به قسمتی از جهان که مورد مطالعه ماست، سیستم میگوییم. هرچیزی خارج از مرزهای سیستم باشد، محیط نام دارد. سیستم میتواند باز (تبادل جرم و انرژی)، بسته (فقط تبادل انرژی) یا ایزوله6 (هیچ تبادلی) باشد.
وقی ویژگیهای ماکروسکوپی یک سیستم (مثل دما، فشار و حجم) با گذشت زمان تغییر نکند، میگوییم سیستم در تعادل ترمودینامیکی است. یک مثال ساده: یک لیوان آب را روی میز بگذارید. پس از چند دقیقه، دمای آب با دمای هوای اتاق یکسان میشود. در این حالت، سیستم (لیوان آب) با محیط (هوای اتاق) در تعادل حرارتی قرار دارد و دیگر تغییر محسوسی رخ نمیدهد.
| نوع سیستم | تبادل جرم | تبادل انرژی | مثال ملموس |
|---|---|---|---|
| باز | آری | آری | یک فنجان چای داغ (بخار آب و گرما به هوا میرود) |
| بسته | خیر | آری | قوطی کنسرو در حال گرم شدن (غذا داخل آن ثابت است، اما گرما وارد میشود) |
| ایزوله | خیر | خیر | مایعی در یک فلاسک خلاء ایدهآل (گرمای داخل آن برای مدت طولانی حفظ میشود) |
قوانین چهارگانه ترمودینامیک: از صفر تا سوم
ترمودینامیک بر چهار قانون استوار است که مانند قوانین بازی طبیعت برای انرژی عمل میکنند.
قانون اول (بقای انرژی): انرژی از بین نمیرود و به وجود نمیآید، فقط از شکلی به شکل دیگر تبدیل میشود. معادلهی اصلی آن به صورت زیر است:
$\Delta U = Q - W$
در این رابطه، $\Delta U$ تغییر انرژی درونی سیستم، $Q$ گرمای وارد شده به سیستم و $W$ کاری است که سیستم بر روی محیط انجام میدهد. وقتی با پمپ دوچرخه تایر را باد میکنید، کاری ($W$) روی سیستم (هوای داخل تایر) انجام میدهید. این کار باعث افزایش انرژی درونی ($\Delta U$) و در نتیجه دما و فشار هوا میشود.
قانون سوم: وقتی دمای یک سیستم کاملاً منظم (مثل یک بلور کامل) به صفر مطلق (0 کلوین یا -273.15°C) نزدیک میشود، آنتروپی آن به صفر نزدیک میشود. این قانون به ما میگوید که رسیدن به صفر مطلق در عمل غیرممکن است.
ترمودینامیک در عمل: از موتور خودرو تا بدن انسان
قوانین ترمودینامیک به صورت عینی در اطراف ما در جریان هستند. بیایید چند مثال را بررسی کنیم:
۱. یخچال: یخچال بر خلاف جریان طبیعی گرما عمل میکند. طبق قانون دوم، گرما به صورت خودبهخودی از جسم سرد به جسم گرم منتقل نمیشود. یخچال با مصرف کار (برق)، گرما را از فضای سرد داخل به فضای گرم بیرون منتقل میکند ($Q$ از داخل گرفته شده و $W$ بر روی سیستم انجام میشود).
۲. موتور درونسوز خودرو: در سیلندر، سوختن بنزین ($Q$ زیاد) گازهای داغ با فشار بالا تولید میکند که پیستون را به حرکت در میآورند ($W$). این تبدیل گرما به کار، بازده محدودی دارد چون بخش زیادی از انرژی به صورت گرمای هدررفته از اگزوز خارج میشود (افزایش آنتروپی محیط).
۳. عرق کردن و خنکشدن بدن: وقتی ورزش میکنید، بدن شما گرمای زیادی تولید میکند (افزایش انرژی درونی). برای تنظیم دما، غدد عرق فعال میشوند. تبخیر عرق از سطح پوست نیاز به انرژی دارد و این انرژی را از گرمای بدن شما میگیرد ($Q$ از بدن خارج میشود). در نتیجه شما خنک میشوید. این یک فرآیند طبیعی برای حفظ تعادل حرارتی است.
سوالات رایج و تصورات نادرست
پاسخ: تشبیه آنتروپی به بینظمی برای درک اولیه مفید است، اما کامل نیست. آنتروپی در ترمودینامیک آماری، بیشتر به معنی تعداد حالتهای میکروسکوپی ممکن برای یک سیستم است. یک سیستم منظم (مثل بلور یخ) حالتهای کمتری دارد (آنتروپی پایین)، اما وقتی آب میشود، مولکولها میتوانند حالتهای بسیار بیشتری به خود بگیرند (آنتروپی بالا). پس افزایش آنتروپی به معنای افزایش احتمال و گسترش انرژی است.
پاسخ: وقتی میگوییم انرژی هدر میرود، منظور این است که انرژی از شکلی مفید (مانند انرژی الکتریکی یا مکانیکی) به شکلی کممفیدتر (معمولاً گرما با دمای پایین و پراکنده) تبدیل شده است. کل انرژی حفظ میشود، اما کیفیت آن کاهش مییابد. هدف صرفهجویی، استفادهی کارآمدتر از انرژی مفید قبل از تبدیل شدن آن به شکل غیرقابل استفادهی آسان است.
پاسخ:غیرممکن. چنین موتودی نقض قانون اول ترمودینامیک (بقای انرژی) نیست، اما مستقیماً با قانون دوم در تضاد است. قانون دوم میگوید در هر فرآیند تبدیل گرما به کار، بخشی از انرژی گرمایی باید به یک منبع سرد منتقل شود و افزایش آنتروپی اجتنابناپذیر است. بنابراین بازده 100% در عمل غیرقابل دستیابی است.
پاورقی
1 Thermodynamics.
2 System: بخشی از جهان که مورد مطالعه قرار میگیرد.
3 Zeroth Law of Thermodynamics.
4 Internal Energy (U): انرژی کل ذرات تشکیلدهنده سیستم (انرژی جنبشی و پتانسیل درونی).
5 Entropy (S): کمیتی ترمودینامیکی که معیاری از بینظمی یا تعداد حالتهای ممکن سیستم است.
6 Isolated System: سیستم بدون تبادل جرم و انرژی با محیط.
7 Temperature: کمیتی که میزان گرمی یا سردی یک جسم را نشان میدهد و با حرکت ذرات آن مرتبط است.
